Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Khảo sát sự ành hưởng hình học cánh thu nhiệt đến sự phân bố nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy

Trang 2

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Tất Hiển

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Văn Trạng

2 Thư ký:TS Trần Hữu Nhân

3 Phản biện1:PGS TS Lê Tất Hiển4 Phản biện2:TS Nguyễn Văn Trạng5 Ủy viên: TS Võ Tấn Châu

Xác nhận của Chủtịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 15/01/1996 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 8520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát sự ảnh hưởng hình học cánh thu nhiệt đến sự phân bố

nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn

máy (The influence of the wing-to-heat geometry to the longitudinal temperature

distribution of the electric generator using exhaust power from motorbike)

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1.1 Đánh giá hiện trạng phân bổ nhiệt độ của cánh thu nhiệt hiện hữu 1.2 Xây dựng mô hình tính toán biên dạng tối ưu của cánh thu nhiệt 1.3 Mô phỏng và đánh giá hiệu quá của biên dạng cánh thu nhiệt tối ưu 1.4 Kiểm tra thực nghiệm hiệu quả của biên dạng cánh thu nhiệt tối ưu II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/07/2022 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồng Đức Thông

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, tác giả mong muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến đến các cá nhân, tập thể đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn

Chân thành cảm ơn Thầy TS Hồng Đức Thông đã dành thời gian quan tâm, hướng dẫn, điều chỉnh trong từng khâu tính toán, thực nghiệm để có kết quả đúng đắn, phản ánh đúng tình trạng của vấn đề

Cảm ơn em Nguyễn Trọng Bình – Kỹ sư Kỹ thuật ô tô đã đồng hành trong giai đoạn thực nghiệm, nhờ kiến thức và kinh nghiệm làm thực nghiệm của em

Cảm ơn Khoa Kỹ thuật Giao thông và Trường Đại học Bách Khoa đã xây dựng chương trình đào tạo để tác giả có cơ hội tiếp cận luận văn này

Tác giả mang ơn tất cả mọi người, nhờ thầy, bạn bè, cựu sinh viên, Khoa, Nhà trường mà tác giả mới hoàn thành luận văn này Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành

Học viên

Nguyễn Ngọc Hữu

Trang 5

TÓM TẮT

Bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe máy vận hành dựa vào thiết bị chuyển đổi nhiệt điện – TEG giúp tái sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy chuyển thành điện năng phục vụ các phụ tải hoặc các thiết bị điện khác trên phương tiện sử dụng động cơ đốt trong

Vì đặc tính truyền nhiệt của lưu chất khí thải nên phân bổ nhiệt độ trên bề mặt các module TEG là chưa đồng đều đối với thiết bị có cánh thu nhiệt biên dạng hình

chữ nhật Luận văn “Khảo sát sự ảnh hưởng hình học cánh thu nhiệt đến sự phân bố nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy” đưa ra tính toán, mô phỏng và thử nghiệm thực tế đối với biên

dạng cánh mới, có thể tối ưu nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện

Kết quả đạt được, luận văn tính toán được biên dạng tối ưu với chênh lệch nhiệt độ trên toàn bộ bệ mặt thu nhiệt được cải thiện đến 84% chênh lệch nhiệt độ so với biên dạng cánh ban đầu (số liệu mô phỏng), dữ liệu tương ứng đối với thực nghiệm là 45%

Bên cạnh đó, luận văn cũng đưa ra được một biên dạng khác cân bằng được yếu tố cải thiện chênh lệch nhiệt độ và chi phí sản xuất Mức độ cải thiện chênh lệch nhiệt độ so với biên dạng gốc theo mô phỏng và thực nghiệm của biên dạng này tương ứng là gần 66% và 42%

Nghiên cứu này giúp tìm ra biên dạng cánh phù hợp, giảm chênh lệch nhiệt độ trên cùng bề mặt giúp nguồn điện tạo ra ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị phát nhiệt điện TEG Đồng thời, nghiên cứu này còn đóng vai trò là mảnh ghép giúp tối ưu hiệu suất của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe máy

Trang 6

ABSTRACT

Motorcycle Exhaust Thermoelectric Generator is operated by Thermoelectric Generator – TEG to help reuse waste heat from motorcycles and convert them into electricity to serve loads or other electrical equipment on vehicles using internal combustion engines

Because of the heat transfer characteristics of the exhaust fluid, the temperature distribution on the surface of the TEG modules is not uniform for the

traditional rectangular profile The thesis "The influence of the wing-to-heat geometry to the longitudinal temperature distribution of the electric generator using exhaust power from motorbike" provides calculations, simulations and

experiments for new profiles, it is possible to optimize the longitudinal temperature of the Motorcycle Exhaust Thermoelectric Generator

As a result, the thesis calculated the optimal profile with the temperature difference on the entire heat-collecting surface improved up to 84% of the temperature difference compared to the rectangular profile (simulation data), the corresponding data for the experiment is 45%

On the other hand, the thesis also provided another profile that balances the factors of improving temperature difference and production cost The improvement in temperature difference compared to the rectangular profile according to simulation and experiment of this profile is nearly 66% and 42% respectively

This study helps to find the right blade profile, reduce the temperature difference on the same surface to help generate stable power and prolong the life of the Thermoelectric Generator – TEG This study also acts as a puzzle to optimize

the performance of a Motorcycle Exhaust Thermoelectric Generator

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác trước đây

Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

Tôi xin chịu hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn này

Học viên

Nguyễn Ngọc Hữu

Trang 8

1.2 Các công trình nghiên cứu trước đây 4

1.3 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam 5

1.4 Các vấn đề còn tồn đọng 7

1.5 Đối tượng nghiên cứu 7

1.6 Phạm vi nghiên cứu 8

1.7 Mục tiêu nghiên cứu 8

1.8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 8

1.8.1 Ý nghĩa khoa học: 8

1.8.2 Ý nghĩa thực tiễn: 8

1.9 Phương pháp nghiên cứu 9

1.9.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn 9

1.9.2 Phương pháp giả thuyết 9

1.9.3 Phương pháp toán học 9

1.9.4 Phương pháp chuyên gia 9

1.9.5 Phương pháp thực nghiệm 9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Lý thuyết truyền nhiệt 10

2.1.1 Dẫn nhiệt 10

Trang 9

2.2 Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện 12

2.2.1 Hiện tượng nhiệt điện 12

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck) 12

2.2.3 Thiết bị nhiệt điện 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 15

3.1 Thông số đầu vào cho quá trình mô phỏng 15

3.4 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình chữ nhật 32

3.5 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình cong 34

3.6 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình thang: 36

CHƯƠNG 4 KIỂM TRA THỰC NGHIỆM 38

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 38

4.2.2 Thiết bị ghi dữ liệu GRAPHTEC midi LOGGER GL240 44

4.2.3 Đồng hồ đo tốc độ động cơ KOSO BA024B90 45

4.2.4 Cơ cấu duy trì tốc độ động cơ 46

4.3 Sơ đồ bố trí mô hình thực nghiệm 47

Trang 11

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nhu cầu vận tải hành khách theo loại nhiên liệu [1] 1

Hình 1.2 Nhu cầu vận tải hàng hóa theo loại nhiên liệu [1] 2

Hình 1.3 Phân bổ năng lượng của động cơ đốt trong 3

Hình 1.4 Nhu cầu sử dụng năng lượng theo ngành nghề 3

Hình 1.5 Mô hình thí nghiệm của Kim S K và cộng sự [5] 4

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo bộ phát nhiệt điện của Jeng T M và cộng sự [6] 5

Hình 1.7 Hệ thống thí nghiệm bộ phát nhiệt điện của Nguyễn Văn Hĩu [8] 6

Hình 1.8 Hệ thống bộ phát nhiệt điện của Võ Tấn Phát [9] 6

Hình 1.9 Mô hình bộ phát nhiệt điện 7

Hình 2.1 Lý thuyết dẫn nhiệt 10

Hình 2.2 Truyền nhiệt đối lưu 11

Hình 2.3 Hiệu ứng Seebeck 12

Hình 2.4 Mô hình bộ phát nhiệt điện 13

Hình 3.1 Mô hình tính toán biên dạng cánh 24

Hình 3.2 Biên dạng cánh thu nhiệt sau khi tối ưu 27

Hình 3.3 Biên dạng cánh sau tính toán 28

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng tại 990 rpm 32

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng tại 1.970 rpm 32

Hình 3.14 Mô hình mô phỏng cánh cong 34

Trang 12

Hình 3.20 Mô hình mô phỏng cánh hình thang 36

Hình 4.1.Mô hình kiểm tra thực nghiệm 38

Hình 4.2 Kết cấu ống xả thưc nghiệm 38

Hình 4.3 Kết cấu ống xả 39

Hình 4.4 Kết cấu lưới tiêu âm 39

Hình 4.5 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh chữ nhật 40

Hình 4.6 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh chữ nhật 40

Hình 4.7 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh cong 40

Hình 4.10 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh hình thang 41

Hình 4.11 Cấu tạo bên trong cảm biến 42

Hình 4.12 Cảm biến nhiệt độ loại K 43

Hình 4.13 Các thiết bị trong phòng thí nghiệm hiệu chuẩn cảm biến 44

Hình 4.14 Thiết bị ghi dữ liệu GRAPHTEC midi LOGGER GL240 44

Hình 4.15 Đồng hồ đo tốc độ động cơ KOSO BA024B90 45

Hình 4.16 Cơ cấu duy trì tốc độ động cơ 46

Hình 4.17 Mô hình bố trí thực nghiệm 47

Hình 4.18 Vị trí lắp đặt cảm biến vào ống xả 47

Hình 4.19 Thiết bị đọc nhiệt độ 48

Trang 13

Hình 4.22 Tổng thể mô hình thí nghiệm (tt) 49

Hình 4.23 Đọc dữ liệu khi nhiệt độ ổn định 50

Hình 4.24 Nhập dữ liệu vào máy tính 51

Hình 4.25 Quy ước các điểm lấy nhiệt độ 52

Hình 4.26 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại 990 rpm 54

Hình 4.27 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại 1,970 rpm 54

Hình 4.41 Đồ thị nhiệt độ theo các trường hợp 61

Hình 4.42 Đồ thị chênh lệch nhiệt độ theo các trường hợp 63

Trang 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tốc độ động cơ ứng với vận tốc xe 16

Bảng 3.2 Vận tốc dòng khí xả theo vận tốc xe 17

Bảng 3.3 Nhiệt độ khí xả theo vận tốc 18

Bảng 3.4 Mối liên hệ giữa số mol và khối lượng 18

Bảng 3.5 Khối lượng riêng các thành phần trong khí xả 19

Bảng 3.6 Khối lượng riêng của khí xả theo tốc độ động cơ 19

Bảng 3.7 Độ nhớt động lực học của các thành phần khí thải 20

Bảng 3.8 Độ nhớt động lực học của khí thải 21

Bảng 3.9 Hệ số trao đổi nhiệt theo thành phần khí xả 21

Bảng 3.10 Hệ số trao đổi nhiệt của khí xả 22

Bảng 3.11 Tổng hợp thông số vật lí đầu vào 23

Bảng 3.12 Giá trị cao độ cánh y sau khi tính toán 27

Bảng 3.13 Phân bổ chất lượng lưới theo giá trị Skewness 30

Bảng 3.14 Chênh lệch nhiệt độ theo tốc độ động cơ 33

Bảng 4.1 Kết quả đo nhiệt độ với cánh hình chữ nhật: 52

Bảng 4.2 Kết quả đo nhiệt độ với cánh cong: 52

Bảng 4.3 Kết quả đo nhiệt độ với cánh hình thang: 53

Bảng 4.4 Chênh lệch nhiệt độ của các biên dạng cánh 53

Bảng 4.5 Dữ liệu tổng hợp cánh hình chữ nhật 60

Bảng 4.6 Dữ liệu tổng hợp cánh cong 60

Bảng 4.7 Dữ liệu tổng hợp cánh hình thang 60

Bảng 4.8 Đối chiếu chênh lệch với nhiệt độ trung bình (cánh cong) 64

Bảng 4.9 Đối chiếu chênh lệch với nhiệt độ trung bình (cánh hình thang) 64

Trang 15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Ngành giao thông vận tải là ngành nghề quan trọng trong mỗi nền kinh tế Tại Việt Nam, nhu cầu vận chuyển trong giao thông vận tải là rất lớn Đối với vận tải người, khối lượng luân chuyển hành khách năm 2020 đã đạt hơn 400 tỷ hành khách.km [1] và dự báo tiếp tục tăng trưởng, đạt mức 1.500 tỷ hành khách.km vào năm 2050 Nguồn năng lượng hiện nay cho ngành chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch (Xăng, Diesel) và chiếm khoảng 85% Theo các kịch bản dự báo kinh tế, nguồn năng lượng từ Điện sẽ dần chiếm ưu thế tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch vẫn sẽ duy trì đáp ứng cho vận chuyển 400 – 800 tỷ hành khách.km mỗi năm

Hình 1.1 Nhu cầu vận tải hành khách theo loại nhiên liệu [1]

(BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không)

Đối với vận tải hàng hóa, đường thủy đóng vai trò chủ lực trong vận chuyển hàng hóa tại Việt Nam với tỷ trọng 50 – 60% Tổng khối lượng luân chuyển hàng hóa năm 2020 đạt hơn 250 tỷ tấn.km [2] và đạt hơn 2.000 tỷ tấn.km vào năm 2050 Nguồn nhiên liệu sử dụng vẫn chủ yếu là nhiên liệu hóa thạch và vẫn sẽ duy trì tỷ trọng lớn bất chấp nhiều kịch bản điện hóa phương tiện giao thông

Trang 16

Hình 1.2 Nhu cầu vận tải hàng hóa theo loại nhiên liệu [1]

(BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không)

Đối với những phương tiện vận tải sử dụng động cơ đốt trong, việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng là một vấn đề luôn được các nhà khoa học quan tâm từ trước đến nay Trong quá trình hoạt động của động cơ, có đến khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy diễn ra bên trong động cơ bị xả thẳng ra môi trường bên ngoài thông qua khí thải [3] Qua đó, các nghiên cứu được thực hiện với việc tận dụng các đặc tính của khí thải động cơ đốt trong làm một nguồn năng lượng như là năng lượng tái chế Đây được xem là một tiềm năng trong tương lai vì sự vận hành của nó được thực hiện trên các nguyên lí về truyền nhiệt và có thể thu hồi nhiệt thải từ bất kì hệ thống nào; và không có bất kì một bộ phận chuyển động nào trong kết cấu nên cần rất ít sự bảo trì, bảo dưỡng (tương tự như công nghệ pin mặt trời) Đối với việc sử dụng thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong (động cơ tĩnh tại, trên ô tô, xe gắn máy, …), mặc dù hiệu suất chuyển đổi từ nhiệt năng thành nhiệt năng chưa cao nhưng công nghệ nhiệt điện hiện vẫn đang được chú ý trên toàn thế giới

Trang 17

Hình 1.3 Phân bổ năng lượng của động cơ đốt trong [3]

Ngoài Giao thông Vận tải, năng lượng và nguồn năng lượng là bài toán lớn ở hầu hết ngành nghề, đa phần ngành nghề đều cần năng lượng để duy trì hoạt động [1], trong đó nhiên liệu hóa thạch hiện đang chiếm 50 – 80% tỷ trọng tùy theo ngành nghề Ngành Giao thông vận tải là ngày sử dụng năng lượng nhiều thứ nhì, ở mức >20% chỉ sau lĩnh vực công nghiệp

Hình 1.4 Nhu cầu sử dụng năng lượng theo ngành nghề

(BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; AP: Kịch bản ô nhiễm; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không)

Trang 18

1.2 Các công trình nghiên cứu trước đây

Công nghệ nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong lần đầu tiên được áp dụng nghiên cứu trên ô tô bởi Birkholz [4] vào năm 1980 với một mô-đun TEG FeSi2 và sản xuất thành công 1W điện, vén màn cho quá trình nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong

Kim S K và cộng sự [5], Đại học Quốc gia Chungbuk - Hàn Quốc, đã tiến hành nghiên cứu bộ phát nhiệt điện trên hệ thống xe hybrid với một bộ gồm 112 mô-đun Bi2Te3 và thu được công suất cực đại là 350W khi nhiệt độ tại bề mặt mặt nóng của thiết bị nhiệt điện đạt 170OC

Hình 1.5 Mô hình thí nghiệm của Kim S K và cộng sự [5]

Jeng T M và cộng sự [6], Đại học Công nghệ Chienkuo – Đài Loan, đã tiến hành nghiên cứu bộ phát nhiệt điện gồm 4 mô-đun TGM-287-1,0-1,5, sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ xăng bốn kì 35,8cc với bộ thu nhiệt và bộ tản nhiệt dạng vách trụ, trong đó bộ tản nhiệt hoạt động dưới sự hỗ trợ của quạt làm mát Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu tốc độ động cơ tăng, công suất phát ra của bộ phát nhiệt điện sẽ tăng; nhưng khi tăng tốc độ của quạt làm mát, công suất phát ra của bộ phát nhiệt điện sẽ không thay đổi Kết quả công suất thu được 2,5W khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5.400 vòng/phút (tốc độ động cơ đạt mô-men xoắn cực đại), và hơn 5W khi tốc độ động cơ đạt 7.000 vòng/phút

Trang 19

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo bộ phát nhiệt điện của Jeng T M và cộng sự [6]

Tuy nhiên, trong điều kiện vận hành đô thị với lưu lượng dòng khí xả từ động cơ không ổn định và phân bố không đồng đều khi đi qua bộ trao đổi nhiệt đã dẫn tới chênh lệch nhiệt độ giữa các module TEG Hiện tượng này không chỉ làm công suất phát giữa các module TEG chênh lệch mà còn có thể dẫn tới hiện tượng quá nhiệt làm suy giảm tuổi thọ các module

1.3 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ nhiệt điện cũng đã và đang được quan tâm với một số công trình nghiên cứu như: Lê Quang Vũ [7], Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đã tiến hành nghiên cứu trên động cơ Toyota 5S-FE 2,2L với 16 mô-đun HTG1-12710 và thu được gần 16W trong điều kiện động cơ hoạt động ở chế độ không tải; Nguyễn Văn Hĩu [8], Đại học Bách khoa – ĐHQG TP HCM, lần đầu tiên tiến hành nghiên cứu, lắp đặt hệ thống bộ phát nhiệt điện trên xe gắn máy Yamaha Sirius 110cc với 8 mô-đun SP1848-27145SA và thu được 2,75W với vận tốc 60 km/h;

Trang 20

Hình 1.7 Hệ thống thí nghiệm bộ phát nhiệt điện của Nguyễn Văn Hĩu [8]

Tiếp nối sự thành công của công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Hĩu, Võ Tấn Phát [9], Đại học Bách khoa – ĐHQG TP HCM, đã tiến hành nghiên cứu, lắp đặt hệ thống bộ phát nhiệt điện trên xe gắn máy Suzuki Sapphire 125 cùng 8 mô-đun TEP1- 142T300 Kết quả thu được 14,61W khi xe di chuyển ở vận tốc trung bình 60km/h tương ứng với chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai bề mặt thiết bị nhiệt điện là 124oC

(a) sơ đồ hệ thống, (b) mô hình thực tế

Trang 21

Năm 2018, tiến sĩ Hồng Đức Thông và nhóm các sinh viên tại Đại học Bách Khoa TPHCM [10] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ bề mặt nóng và bề mặt lạnh của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt khí thải xe máy Kết quả cho thấy nhiệt độ ổn định sau khoảng gần 300s và kết quả giữa mô phỏng với thực nghiệm có độ chênh lệch rất lớn Nguyên nhân là do bề mặt của bộ thu nhiệt và tản nhiệt trên thực tế có độ nhám lớn, mụi than đóng bên trong cánh thu nhiệt đã làm nhiệt độ nhận được của bộ thu nhiệt thấp đi đáng kể, làm cho kết quả thực nghiệm thấp hơn mô phỏng rất nhiều

Năm 2020, tiến sĩ Hồng Đức Thông và cộng sự [11] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm Nhóm đã khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao ống giảm thanh và kết cấu cánh hướng dòng đến sự phân bố nhiệt độ trên mặt nóng của bộ thu nhiệt Kết quả cho thấy rằng khi giảm chiều cao ổng giảm thanh và lắp thêm cánh hướng

dòng đã cải thiện rõ rệt mức độ đồng đều của nhiệt độ trên mặt nóng bộ thu nhiệt 1.4 Các vấn đề còn tồn đọng

Mặc dù có nhiều nghiên cứu tuy nhiên việc tối ưu nhiệt độ khí để cho ra dòng điện đều là vấn đề cần thiết Các cánh thu nhiệt ở khu vực đầu ống xả luôn bị nóng hơn cánh thu nhiệt khu vực đuôi ống xả, sẽ làm ảnh hưởng tuổi thọ bộ TEG phát điện, vì vậy cần nghiên cứu tối ưu dòng nhiệt độ

Hình 1.9 Mô hình bộ phát nhiệt điện

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng cần nghiên cứu trong đề tài này là mô hình bộ phát nhiệt điện lắp trên ống xả của động cơ xe gắn máy Cụ thể, cần nghiên cứu hình dạng cánh thu nhiệt trong bộ phát nhiệt điện

Trang 22

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm: tính toán, mô phỏng và thực nghiệm một (hoặc nhiều) biên dạng cánh thu nhiệt nhằm tối ưu, đảm bảo nhiệt lượng chênh lệch không quá nhiều ở các điều kiện vận hành

1.7 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài bao gồm 3 mục tiêu chính:

- Tính toán biên dạng cánh thu nhiệt tối ưu - Mô phỏng cánh thu nhiệt tối ưu

- Kiểm tra thực nghiệm và kết luận

1.8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.8.1 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài đóng vai trò là mảnh ghép giúp tối ưu, nâng cao hiệu suất Bộ Phát điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong Trong điều kiện làm việc biến thiên và khắc nghiệt của động cơ, khí thải từ ống xả cũng biển đổi và mang nhiều tính chất vật lí phức tạp như vận tốc, nhiệt độ, áp suất, độ nhớt,… do đó việc tính toán, mô phỏng và kiểm tra thực nghiệm một (hoặc nhiều) biên dạng cánh tối ưu giúp tối ưu vận hành, gia tăng tuổi thọ bộ phát nhiệt TEG

Ngoài ra đề tài còn là tiền đề nghiên cứu, đánh giá Bộ phát nhiệt điện trên các ổng xả khác với nguồn nhiệt từ động cơ đốt trong

1.8.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Với việc hoàn thành đề tài nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, tác giả tiếp cận được phương pháp nghiên cứu khoa học chuyên nghiệp, tạo tiền đề cho chặng đường nghiên cứu khoa học sau này

Đối với bộ phát nhiệt điện sử dụng nhiệt từ ống xả xe máy, nghiên cứu giúp tìm ra biên dạng cánh phù hợp để vận hành hiệu quả hơn, ứng dụng điện năng sinh ra cho các mục đích: sử dụng cho phụ tải trên ô tô, xe gắn máy, bổ sung nguồn cấp điện cho các xe hybrid và plug-in hybrid, gián tiếp góp phần giải quyết các vấn đề an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường

Trang 23

1.9 Phương pháp nghiên cứu

1.9.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các công trình nghiên cứu đi trước, các tạp chí khoa học, bài báo khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu

1.9.2 Phương pháp giả thuyết

Dự đoán biên dạng để có thể thu nhiệt tối ưu, từ đó xây dựng mô hình tính toán để mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng

1.9.3 Phương pháp toán học

Sử dụng thống kê, bảng số liệu, đồ thị và biểu đồ để đánh giá, so sánh và nhận định các kết quả thu thập được

1.9.4 Phương pháp chuyên gia

Lắng nghe tiếp thu và ghi nhận ý kiến từ giảng viên hướng dẫn để thực hiện đề tài nghiên cứu

1.9.5 Phương pháp thực nghiệm

Thử nghiệm kết quả mô phỏng bằng mô hình thực tế để kiểm chứng và đánh giá kết quả

Trang 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền nhiệt bức xạ

2.1.1 Dẫn nhiệt

Là quá trình dẫn nhiệt khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vật rắn tiếp xúc hoặc trong một vật rắn Định luật Fourier phát biểu về hiện tượng này như sau: Mật độ dòng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt ấy

Trong đó:

Qx: dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W)

qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W/m2) F: diện tích tiết diện vuông góc với phương x (m2)

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (K) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật (W/m.K)

Trang 25

Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu trừ “–” trong phương trình trên

2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi trường chất lỏng (khí) có nhiệt độ khác nhau

Trong kỹ thuật để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức Newtơn:

Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) (OC)

Hình 2.2 Truyền nhiệt đối lưu

2.1.3 Truyền nhiệt bức xạ

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau Năng lượng bức xạ truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ.

Trang 26

2.2 Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện 2.2.1 Hiện tượng nhiệt điện

Là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra điện

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck)

Hiệu ứng Seebeck [12] là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770 – 1831), phát hiện vào năm 1821 Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện” Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này theo đơn vị μV/K Ví dụ: cặp đồng- constant có hệ số Seebeck bằng 41μV/K ở nhiệt độ phòng Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện

Hình 2.3 Hiệu ứng Seebeck

Điện áp tạo ra do hiệu ứng Seebeck: Us = S.(Th –Tc) - A, B: hai kim loại khác nhau,

- S: hệ số Seebeck (V/K), - Th: nhiệt độ mặt nóng (K),

Trang 27

2.2.3 Thiết bị nhiệt điện

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện kiểu nhiệt điện dựa vào các hiệu ứng nhiệt điện mà chủ yếu là hiệu ứng Seebeck Trong thiết bị nhiệt điện, vật liệu nhiệt điện được đặt giữa bên nóng và bên lạnh và giữa các bộ trao đổi nhiệt Các vật liệu nhiệt điện được tạo thành từ chất bán dẫn loại p và loại n Bên dưới là cấu trúc bên trong của một module nhiệt điện.

Hình 2.4 Mô hình bộ phát nhiệt điện

Nếu một module thiết bị nhiệt điện (TEG) chuyển đổi một nhiệt lượng Q thành điện năng có công suất P với hiệu suất η thì ta có:

2.3 Mô hình tính toán mô phỏng CFD

Với mô hình mô phỏng dòng chảy của lưu chất khí bên trong đường ống có kết cấu phức tạp, tác giả chọn phần mềm phục vụ mô phỏng Ansys với công cụ

Trang 28

Mô hình dòng chảy qua bộ phát nhiệt điện là mô hình dòng chảy nội lưu, có độ nhớt và dòng chảy tĩnh ổn định theo thời gian Trong phần này, phần mềm Ansys với nền tảng CFD sẽ được dùng để mô phỏng dòng khí bên trong thiết bị nhiệt điện để đánh giá khí động học bên trong thiết bị

Phương trình toán học được sử dụng trong quá trình tính toán mô phỏng: Phương trình động lượng và phương trình liên tục

- Phương trình động lượng:

- Phương trình liên tục: 0

Trong đó:

= −  

Trang 29

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 3.1 Thông số đầu vào cho quá trình mô phỏng 3.1.1 Thông số xe thử nghiệm

Loại xe được sử dụng làm thí nghiệm là Honda Wave Alpha 110 với thông số kỹ thuật:

- Loại động cơ: Động cơ xăng 4 thì, 1 xilanh, 2 xupap, làm mát bằng gió, SOHC

- Đường kính (D) x hành trình (S) piston: 50,0 x 55,6 (mm) - Dung tích xilanh (V): 109,1 (cm3)

- Thông số lốp sau (bánh xe chủ động): 80/90 – 17

3.1.2 Thông số vật lí của khí thải

Vận tốc dòng chảy khí xả qua bộ phát nhiệt điện được mô phỏng qua các trường hợp trong điều kiện tương ứng khi xe di chuyển với vận tốc 10, 20, 30, 40 và 50 (km/h) Các thông số vật lý của khí xả bao gồm:

- Vận tốc dòng khí xả tại đầu vào ống giảm thanh - Nhiệt độ của khí xả tại đầu vào ống giảm thanh - Khối lượng riêng khí xả

- Độ nhớt động học của khí xả

Trang 30

3.1.2.1 Vận tốc dòng khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

Tính toán vận tốc dòng khí với giả thuyết quá trình cháy diễn ra hoàn toàn trong xi-lanh của động cơ; bỏ qua sự thay đổi thể tích do thay đổi nhiệt độ và tổn hao vận tốc trên đường ống dẫn của hệ thống xả:

Dựa theo các thông số xe Honda Wave Alpha 110: - Bán kính bánh xe 17 25, 4 0, 9 80 287, 9 ( )

- Bán kính hoạt động bánh xe Rh =0,92R=0,92 287,9 264,87 ( − mm)- Tỉ số truyền (chọn ở tay số 4): 69 37 22 9,83

109 ()=

- Đường kính ngoài cổ xả: Dn =21(mm)- Đường kính trong cổ xả: Dt =17 (mm)

Khi xe di chuyển với vận tốc v=10 (km h/ )=2, 78(m s/ )- Chu vi bánh xe: Cbx =2Rh =2 264,87 1664, 23 =

- Tốc độ góc bánh xe: 60 2, 78 60 100, 23( / )1664, 23

v pC

Trang 31

Vận tốc dòng khí qua xupap xả được tính theo công thức:

ctinexhaust gas

Với tốc độ động cơ được tính được ở Bảng 3.1 và dựa vào thông số kỹ thuật

của xe thực nghiệm, ta tính được vận tốc dòng khí qua xupap tại vận tốc v=10 km/h như sau:

0,851, 09 1012060, 5

3, 55 (/ )0, 017

4

Trang 32

3.1.2.2 Nhiệt độ khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

Sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, ta thu được giá trị nhiệt độ tại đầu vào ống giảm thanh như bảng bên dưới:

3.1.2.3 Tính toán khối lượng riêng khí xả

Khối lượng riêng của khí xả được tính dựa trên thành phần phần trăm thể tích của các khí thành phần trong quá trình đốt cháy nhiên liệu Các khí thành phần được thể hiện ở phương trình cháy dưới đây:

Trang 33

Từ tỷ lệ trên, ta tính được khối lượng riêng của các thành phần trong khí xả như bảng bên dưới:

Bảng 3.5 Khối lượng riêng các thành phần trong khí xả

STT Tốc độ động cơ (v/p)

Nhiệt độ khí xả (K)

Khối lượng riêng (kg/m3)

Tính toán tương tự với thông số tại Bảng 3.5 ta được bảng khối lượng riêng

của khí xả theo từng tốc độ động cơ:

Bảng 3.6 Khối lượng riêng của khí xả theo tốc độ động cơ

STT Tốc độ động cơ (v/p) Nhiệt độ khí xả (K) Khối lượng riêng khí xả 3( / )

Trang 34

3.1.2.4 Tính toán độ nhớt động lực học của khí xả

Độ nhớt động lực học của khí xả cũng được tính dựa trên độ nhớt động lực học của các khí thành phần của khí xả trong phương trình cháy của động cơ Độ nhớt động lực học của các thành phần khí xả tại các vận tốc xe được thể hiện tại bảng bên dưới:

Bảng 3.7 Độ nhớt động lực học của các thành phần khí thải

Độ nhớt động lực học 2(Ns m/ )

Ta tính được độ nhớt động của các thành phần khí xả tại vận tốc xe 10 km/h, nhiệt độ khí xả 387 K như sau:

Trang 35

Tính toán tương tự với các tốc độ động cơ còn lại, ta được bảng giá trị:

3.1.2.5 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt của khí xả

Hệ số trao đổi nhiệt của khí xả được tính toán dựa trên hệ số truyền nhiệt của các khí thành phần trong khí xả và phần trăm thể tích của các khí đó trong khí xả Khi xe di chuyển với tốc độ 10 km/h tương ứng tốc độ động cơ là 990 vòng/phút và nhiệt độ khí xả trong điều kiện đó là 387 K Tương tự ứng với nhiệt độ khí xả tại

các giá trị tốc độ động cơ còn lại ta có được hệ số truyền nhiệt (λ) của các khí thành

phần được trình bày như bảng bên dưới:

Bảng 3.9 Hệ số trao đổi nhiệt theo thành phần khí xả

Hệ số trao đổi nhiệt  (W m K/ )

Trang 36

Với thành phần khí xả như bên dưới: - %CO2 = 12,5%;

- %H2O = 14%; - %N2 = 74,5%

Ta tính được hệ số trao đổi nhiệt của các thành phần khí xả tại vận tốc xe 10 km/h, nhiệt độ khí xả 387 K như sau:

-

20, 024

CO = W/m.K; -

20, 026

H O = W/m.K; -

Tính toán tương tự với các tốc độ động cơ còn lại, ta được bảng giá trị:

Bảng 3.10 Hệ số trao đổi nhiệt của khí xả

STT Tốc độ động cơ (v/p) Nhiệt độ khí xả (K) Hệ số trao đổi nhiệt  (W m K/ )

Trang 37

Vận tốc dòng khí xả

(m/s)

Khối lượng riêng khí xả

3( / ) kg m

Độ nhớt động lực

(/ ) W m K

Trang 38

3.2 Tính toán biên dạng cánh thu nhiệt

Trước hết cần giải thích lý do vì sao nhiệt độ lại phân bố không đều theo chiều ngang Nguyên nhân là do với thiết kế cánh nguyên bản có dạng phẳng hình chữ nhật, phần đầu cánh tiếp xúc với khí xả nhiệt độ cao từ động cơ, sau đó truyền đến phía sau và xảy ra hiện tượng mất nhiệt, dẫn đến nhiệt truyền vào bộ đế thu không đồng đều theo phương ngang Dọc theo hướng di chuyển của khí xả qua bộ thu nhiệt, diện tích truyền nhiệt là không đổi nhưng phần đầu cánh tiếp xúc với khí nóng trước sẽ thu được nhiệt lượng lớn hơn Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần tìm giải pháp về một thiết kế biên dạng cánh có thể đáp ứng nhiệt lượng thu được ở các phần dọc theo chiều dài cánh là như nhau

Ta chia phần cánh của bộ thu nhiệt thành 10 phần bằng nhau theo chiều ngang Để nhiệt độ phân bố đều trên mặt nóng thì nhiệt lượng nhận được ở mỗi phần phải bằng nhau Mô hình tính toán được thể hiện ở bên dưới:

Trang 39

Ta có phương trình truyền nhiệt đối lưu dựa theo công thức Newton, dòng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn và môi trường (trong 1 giây) được xác định:

.()

Q=FTW với  =TTw−TfTrong đó:

Q: dòng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn và môi trường trong 1 giây (W)

F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)

Tw: nhiệt độ bề mặt vật rắn (ºC)

Tf : nhiệt độ môi trường chất lỏng (hoặc khí) (ºC)

Áp dụng công thức trên cho phần số một của cánh như trên Hình 3.1, ta được